應用于RF MEMS的可集成壓力監控技術(shù)

　　許多MEMS器件，像加速度計、機械共振器件等，都需要在真空環(huán)境下才能實(shí)現設計功能。然而檢驗封裝腔體是否達到了所要求的真空程度一直一來(lái)都是個(gè)棘手的問(wèn)題。密歇根大學(xué)Khalil Najafi教授研究小組的研究人員最近開(kāi)發(fā)出一種用微機械制造方法實(shí)現，可以在封裝的封帽上完成皮拉尼真空測量的方案。使用這種方法可以完成封裝的氦氣檢漏測試，該成果已發(fā)表在IEEE Transactions on Advanced Packaging雜志?！　?/P>

　　RF MEMS器件的性能主要取決于機械振動(dòng)腔結構的性能。如果腔室中存在空氣或其他氣體則會(huì )影響該器件可動(dòng)部分的運動(dòng)，使得該部分的運動(dòng)變得難以預測?！　?/P>

　　另一種可能出現的情況是吸附的空氣或濕氣會(huì )與封裝結構作用，進(jìn)而改變結構的機械性能。在加速度器中校驗過(guò)的質(zhì)量塊受到影響產(chǎn)生的偏差可能不大，但對由質(zhì)量塊的重力作用產(chǎn)生彎曲的懸臂結構來(lái)說(shuō)，其變形程度所受的影響就很大了。因此在機械共振結構中，由質(zhì)量分布產(chǎn)生一些變化將極大地影響該器件的RF性能?！　?/P>

　　一種測量RF MEMS封裝中漏氣情況的方法是Q因子提取。使用這種方法首先根據器件的電學(xué)性能計算出共振結構的性能。當使用這種方法進(jìn)行檢漏測試發(fā)現漏氣時(shí)，被測器件可能已經(jīng)完全損壞了。

　　氦氣檢漏測試是一項標準的測試方法，但對每個(gè)封裝好的器件都進(jìn)行一次檢漏的話(huà)，檢驗的工作量很大很且成本太高。所以當前可行而且成本較低的方法是等待一段時(shí)間之后，有些MEMS器件性能已經(jīng)開(kāi)始退化，然后對其進(jìn)行替換。在某些不能采用該種方法的場(chǎng)合，就需要一種低成本可進(jìn)行原位檢測的壓力監控裝置了?！　?/P>

　　皮拉尼檢測裝置在毫托量級范圍內非常有效。皮拉尼檢測裝置為一個(gè)帶有引線(xiàn)（或電阻絲）和散熱片的腔體。先在引線(xiàn)上通上電流，之后測量其電阻。如果腔室內氣壓很低，則引線(xiàn)上產(chǎn)生的熱量只有很少的一部分能通過(guò)氣體的對流到達散熱片，這樣會(huì )得到與引線(xiàn)上較高溫度相關(guān)聯(lián)的電阻值。如果腔室內的氣壓較高，由于氣體的對流傳熱，引線(xiàn)上的溫度相對較低，得到的是溫度較低時(shí)的電阻值。

　　理想情況下，皮拉尼檢測可以在分子級別上操作。只要引線(xiàn)與散熱片的距離小于一個(gè)氣體分子的平均自由程即可。這就給皮拉尼檢測的使用范圍設置了上限。下限是由對流傳熱的比例決定的：氣體分子對流帶走的熱量必須高于輻射帶走的熱量或高于支撐機構傳導帶走的熱量?！　?/P>

　　該研究小組開(kāi)發(fā)出了帶有雙散熱片的兩種監控方法。較早的是垂直設計，其電阻器與散熱片的距離是0.4祄，測量的動(dòng)態(tài)范圍從20毫托到2托。稍后的水平設計氣隙距離是1祄，測量的動(dòng)態(tài)范圍從50毫托到5托。這兩種設計結構都是采用重摻雜p型（p++）硅加工完成，并且都與MEMS的封裝兼容，性能也很好。

　　水平設計需要兩塊掩模板，而垂直工藝需要六塊?！　?/P>

　　制作水平結構的測試裝置首先在硅晶圓上覆蓋摻雜硼（形成p++層），在摻雜區域完成電阻器和散熱片的制作。其后采用深反應離子刻蝕獲得寬度為1祄的溝槽用以隔離p++區域（見(jiàn)圖）。在玻璃晶圓上腐蝕形成腔室，使用陽(yáng)極鍵和將兩個(gè)晶圓面對面鍵和在一起。通過(guò)選擇性腐蝕溶掉未摻雜的硅晶圓，腐蝕劑通常采用二胺磷苯二酚（EDP）?！　?/P>

　　盡管這種溶解晶圓的工藝需要使用很多的硅材料，但整個(gè)工藝的成本卻并不高。如果晶圓上沒(méi)有電路結構，硅本身的價(jià)格相當便宜，并且其他可替換的漏率檢測方法成本要高很多?！　?/P>

　　上述工藝還未將皮拉尼檢測裝置集成到封裝中。由于其主要部件采用在MEMS中廣泛使用的結構材料p++硅，因此向封裝的集成難度不大。如果MEMS封裝設計中包含有皮拉尼檢測裝置的，只需要在原來(lái)MEMS的設計版圖上進(jìn)行少量修改即可實(shí)現?！　?/P>

　　在去年召開(kāi)的IEEE MEMS年會(huì )上，該小組發(fā)表了他們在皮拉尼檢測裝置上的研究成果，這些工作主要是在傳感器電阻中使用多晶硅制作不同的懸臂和梯形結構。據報道一些結構可以用于氣壓低于10毫托的情況?！　?/P>

　　該小組還發(fā)表了密封此類(lèi)器件的方法，該方法采用金——硅共晶工藝并集成了NanoGetter公司的吸氣劑進(jìn)行密封（NanoGetters公司是Integrated Sensing Systems的一個(gè)子公司）?，F階段這種集成傳感器的方法似乎超過(guò)了RF MEMS器件的要求。然而隨著(zhù)其使用的增加，將需要這種方法可以在一個(gè)器件性能退化之前就發(fā)現并且完成替換。